Гамма-гамма-методы (ггм)

ГГМ основан на облучении горных пород первичным потоком γ-кван­тов средней энергии (до 2 Мэв) и после взаимодействия регистрации вторич­ного γ-излучения.

Для γ-излучения с энергией до 2 Мэв характерно взаимодействие с эле­к­тро­нами атомов, наиболее вероятны фотоэлектрическое поглощение (фото­эф­­фект) на электронах внутренних оболочек атома и неупругое рассеяние γ-кванта на электронах (эффект Комптона).

Для легких породообразующих эле­ментов (Z < 20), макросечение μ_к комп­то­новского рассеяния не зави­сит от Z и пропорционально плотности вещества δ, т.к. для легких элементов Z/M ≈ 0.5 (М – атомная масса вещества, Z – заряд ядра). Число атомов в 1 см³ вещества N = δ*N_A/M (N_А – число Авогадро), следовательно μ_k =N*σ_k = AδZσ_k/M (σ_k – микросечение Комптон-эффекта). Учитывая, что Z/M ≈ 0.5, получаем μ_k = N_Aδσ_k/2.

Сечение комптоновского рас­сеяния σ_k при малых энергиях рас­тет, дости­гает максимального значения в интервале 100 – 300 Кэв, а затем медле­нно уменьшается с увеличени­ем энергии γ-квантов.

Для одного и того же вещества для К-оболочки ход сечения фотоэф­фек­та приблизительно оценивается:

при Е_γ > I_K σ_ф ≈ Z⁵/ Е_γ^3.5;

при Е_γ >> I_K σ_ф ≈ Z⁵/ Е_γ.

где Е_γ – энергия γ-кванта, I_K – потенциал ионизации К-оболочки.

Фотоэффект наиболее вероятен в области энергий, близких к потен­циалу ионизации электронных К-оболочек, это для тяжелых элементов (Z > 50) энергия до 100 Кэв, для более легких элементов эта энергия снижается до единиц Кэв. Например, для титана (Z = 22) I_K < 6 Кэв.

Чтобы изучать плотность пород, необходимо реализовать определен­ный тип взаимодействия γ-квантов с веществом, а именно комптоновское рассеяние, метод называется гамма-гамма метод плотностной модификации (ГГМ-П). Для исследования изменения состава пород применяется гамма-гамма-метод селективный (ГГМ-С), в основе которого - фотоэффект. Мето­дически оба эти метода сходны – первичное облучение породы потоком гамма-квантов с последующей регистрацией вторичного гамма-излучения. Выбор типа взаимодействия первичного излучения (Комптон-эффект или фотоэффект) решается с помощью выбора источника первичного γ-излуче­ния: при энергии источника Е_γ < 300 Кэв преобладает фотоэффект (ГГМ-С), при Е_γ > 600 Кэв превалирует комптоновское рассеяние (ГГМ-П).

Чувствительность ГГМ-С к изменению Z_эфф породы определяется энер­гией источника первичного гамма-излучения. При использовании источника γ-квантов низкой энергии (Е_γ = 50 Кэв) максимальная чувствительность – в области малых значений Z_эфф – до 14, далее чувствительность падает, а при Z_эфф > 20 чувствительность прак­тически равна 0. Такая ситуация реа­ли­зуется при разведке угольных мес­торождений – изменение параметра зольности, который определяет качество углей, основано на изменении Z_эфф на величины, не более 0.2 ÷ 0.4. При разведке полиметаллических и, осо­бе­нно железорудных, месторождений изменение Z_эфф от вмещающей до рудо­со­держащей породы более значительно – на единицы, а в случае массивных руд, до десяти. В этом случае используется более жесткий источник перви­чного γ-излуче­ния, чтобы перекрыть весь диапазон измерений Z_эфф. Основ­­ным источником первичного γ-излуче­ния в ГГМ-С является изотоп селена Se⁷⁵ (Т = 120 дней; Е_γ = 136 Кэв и 265 Кэв), может также использоваться изотоп тулия Tm¹⁷⁰ (Т = 129 дней; Е_γ = 84,2 Кэв).

ГГМ-П, как было сказано выше, необходимо осуществлять в таких усло­виях, когда преобладает комптоновское рассеяние -излучения, а именно в интервале энергий от 500 Кэв до 2 Мэв. Так как при многократном рассеянии -излучения в среде образуется низкоэнергетическая часть -спектра, которая поглощается при помощи фотоэффекта (вследствие чего образуются низкоэнер­гетичные -кванты характеристического излучения), устранить влияние фото­эффекта можно соответствующим выбором энергии первичного -излучения и использованием детекторов, имеющих в области малых энергий низкую эффек­тивность.

Для реализации ГГМ-П обычно используются источники -квантов Cs¹³⁷ (Е_γ = 0.66 Мэв), Со⁶⁰ (1.25 Мэв), реже Ra²²⁶ (1.7 Мэв). Низкую эффективность в области мягкого -излучения имеют газоразрядные счетчики типа МС и СТС и сцинтилляционные детекторы NaJ (Tl) в металлических фильтрах (корпус прибора).